為研究軸流泵輪緣間隙泄漏流的非定常特征及其對泵外特性的影響，采用基于S-A模型的DES方法和滑移網(wǎng)格技術(shù)，對軸流泵在設(shè)計流量下的內(nèi)部湍流進(jìn)行了數(shù)值計算，重點分析了4組輪緣間隙下泵內(nèi)非定常流場特性及壓力脈動特性.在設(shè)計輪緣間隙下，計算所得泵揚程和效率與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，最大相對誤差分別為2.0%和3.0%.計算結(jié)果表明：隨輪緣間隙增大，水泵揚程和效率均呈下降趨勢；輪緣泄漏渦強(qiáng)度和影響范圍隨輪緣間隙增大而增大，當(dāng)輪緣間隙為3.3‰D2時，輪緣泄漏渦擴(kuò)散至相鄰葉片出口邊；不同輪緣間隙下，葉輪區(qū)壓力脈動頻率均以葉頻為主；靠近葉片進(jìn)口的葉輪室內(nèi)壁壓力脈動幅值隨輪緣間隙的增大呈減小趨勢，葉輪室中部壓力脈動隨輪緣間隙增大而增大；葉輪出口斷面的壓力脈動頻域特性在不同輪緣間隙下均以1倍葉頻為主，脈動幅值隨輪緣間隙增大而減小。

　　軸流泵輪緣間隙泄漏流動及其與葉道主流、壁面邊界層和葉片尾流的相互作用，形成泵葉輪內(nèi)復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定流動，將降低泵的能量性能，引發(fā)間隙泄漏空化、水力激振和噪聲，嚴(yán)重影響軸流泵的運行穩(wěn)定性。研究受輪緣間隙流動影響的軸流泵內(nèi)壓力脈動規(guī)律，具有重要工程意義。

　　對于受輪緣間隙泄漏流動影響的軸流泵內(nèi)非定常流場的研究，主要有試驗和數(shù)值計算2種手段。采用PIV(particleimagevelocimetry)等測試技術(shù)，可對間隙泄漏渦流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及發(fā)展過程進(jìn)行觀測，但受試驗費用高、葉輪內(nèi)測試設(shè)備不易安裝及比尺效應(yīng)等因素制約，對泵內(nèi)壓力脈動的試驗研究還很困難。因此，很多學(xué)者開展了軸流泵內(nèi)非定常流動的數(shù)值模擬研究，其中，采用大渦模擬方法(largeeddysimulation，LES)直接求解瞬態(tài)N-S方程，可描述大尺度渦運動并捕獲豐富的非定常流動細(xì)節(jié)，較準(zhǔn)確地求解得到了泵內(nèi)的壓力脈動特征。但由于軸流泵內(nèi)非定常流動為邊界層很薄的高雷諾數(shù)湍流，邊界層內(nèi)小渦的尺度往往比邊界層的厚度小很多，這使得要完全采用LES模擬薄邊界層內(nèi)的流動需對近壁區(qū)進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格處理，計算量較大.針對這一情況，Spalart等提出的分離渦模擬方法(detachededdysimulation，DES)，以RANS/LES混合模式對計算域進(jìn)行求解，同時具備RANS方法對近壁網(wǎng)格要求低、計算效率高和LES方法對湍流核心區(qū)非定常流動模擬精度高的特點，在求解水力機(jī)械內(nèi)部非定常流場時具有特殊的優(yōu)勢。文中采用DES方法，對不同輪緣間隙下的軸流

　　泵內(nèi)部三維不穩(wěn)定流場進(jìn)行非定常計算，預(yù)測輪緣間隙泄漏流的形態(tài)及對泵外特性的影響，并對葉輪區(qū)的流場及壓力脈動特性進(jìn)行分析，獲得泵葉輪室及葉輪出口處壓力脈動隨輪緣間隙的變化規(guī)律.

1、物理模型及網(wǎng)格劃分

　　研究使用的軸流泵由中國水利水電科學(xué)研究院設(shè)計，其性能試驗結(jié)果見文獻(xiàn)。該泵葉輪直徑D2=300mm，葉片數(shù)Z=6，葉輪設(shè)計間隙δ=0.3mm，導(dǎo)葉數(shù)Zd=11，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，額定流量Qd=0.35m3/s，額定揚程Hd=11m。取泵的進(jìn)口到彎管出口的整個泵段作為計算區(qū)域.為研究輪緣間隙對軸流泵內(nèi)湍流壓力脈動的影響，選取4組輪緣間隙值，間隙尺寸δ/D2分別為0.5‰，1.0‰，2.0‰和3.3‰，其中δ/D2=1.0‰表示設(shè)計輪緣間隙。

　　由于軸流泵葉輪內(nèi)流道扭曲嚴(yán)重，輪緣間隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文中采用分塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對葉輪區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輪緣間隙區(qū)采用H-O-H型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖1所示.計算域其他部分采用對復(fù)雜邊界適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格.葉片周圍和輪緣間隙區(qū)進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，為了保證網(wǎng)格密度相近，不同間隙尺寸下輪緣間隙內(nèi)沿徑向分別布置5～15層網(wǎng)格，計算域內(nèi)對應(yīng)的網(wǎng)格單元總數(shù)為419萬～489萬。

圖1 葉輪及輪緣間隙網(wǎng)格

結(jié)論

　　采用基于S-A模型的DES方法，開展了設(shè)計流量工況下不同輪緣間隙的軸流泵非定常流場計算，重點研究了輪緣間隙變化對葉輪流場結(jié)構(gòu)和壓力脈動特征的影響，取得以下主要結(jié)論：

　　1)隨著輪緣間隙的增大，軸流泵的揚程和效率整體呈下降趨勢，輪緣間隙大于設(shè)計值時，揚程和效率下降幅度均顯著增加。

　　2)輪緣間隙變化對軸流泵葉輪區(qū)壓力分布影響明顯，隨著間隙增大，間隙泄漏渦逐漸向葉輪葉道內(nèi)發(fā)展，渦核低壓區(qū)影響范圍增大。在3.3‰D2輪緣間隙下，葉輪流道內(nèi)存在因泄漏流與主流相互作用壓力梯度劇烈變化區(qū)，且輪緣泄漏渦擴(kuò)展至相鄰葉片的出口邊。

　　3)不同輪緣間隙下，葉輪室內(nèi)壁壓力脈動頻域值均以葉頻fn為主，壓力脈動幅值的變化規(guī)律存在差異.葉輪室中部，壓力脈動混頻幅值和fn的頻譜值均隨輪緣間隙增大而增大；靠近葉片進(jìn)口處的葉輪室內(nèi)壁，壓力脈動幅值和fn的頻譜值均隨輪緣間隙增大而減小。

　　4)葉輪出口斷面內(nèi)，壓力脈動頻域值主要為葉片通過頻率fn，最大壓力脈動頻譜值隨輪緣間隙增大而減小。